造船業(yè)的新起點(diǎn)與新方向

本刊記者 趙 博

2018年3月4日， 韓 國現(xiàn)代重工成功開發(fā)了雙面彎板加工機(jī)器人系統(tǒng)，這套系統(tǒng)能夠自動(dòng)形成船舶的立體曲面，進(jìn)而解決了彎板加工流程標(biāo)準(zhǔn)化的難題，并使效率提高三倍。在我國，造船機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域也取得不斐成績(jī)。智能化和數(shù)字化制造，日漸成為造船業(yè)發(fā)展的重要方向。

“模式”數(shù)字化

事實(shí)上，自上世紀(jì)60年代末將計(jì)算機(jī)用于船舶線型放樣開始，數(shù)字化技術(shù)就已逐步滲透到造船業(yè)價(jià)值鏈的多個(gè)環(huán)節(jié)。到了2011年，我國在自動(dòng)化制造方面取得了又一項(xiàng)突破。當(dāng)年，南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司就通過自動(dòng)化生產(chǎn)、搭建機(jī)器人生產(chǎn)線等方式，打破了傳統(tǒng)作業(yè)模式，將平面設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)換為三維立體效果圖，實(shí)現(xiàn)定位、跟蹤和焊接的自動(dòng)化，形成了無人干預(yù)的智能化生產(chǎn)線。機(jī)器焊接作業(yè)使生產(chǎn)周期縮短了50%，與此同時(shí)，機(jī)器人能夠更加精確地控制焊腳，使焊材消耗減少約30%。

圖1 南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司的智能制造車間

圖2 全球首個(gè)數(shù)值水池——中國數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)V1.0正式通過認(rèn)證

2016年，工業(yè)和信息化部發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)船舶智能制造指導(dǎo)意見》征求意見稿，按照分階段目標(biāo)明確提出，到2020年，全面建立精益船舶制造體系，推廣應(yīng)用數(shù)字化造船技術(shù)，突破船舶智能制造工藝、智能裝備及生產(chǎn)線、車間生產(chǎn)綜合管控、車間智能制造平臺(tái)、智能制造技術(shù)體系等船舶分段智能制造共性關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)船舶分段智能制造車間示范工程，骨干造船企業(yè)造船效率達(dá)到15工時(shí)/修正總噸，分段無余量制造率達(dá)到90%，搭載前預(yù)舾裝率達(dá)到85%，造船效率和制造質(zhì)量接近日本和韓國水平。

精益求精的要求，敦促造船企業(yè)和相關(guān)設(shè)計(jì)院紛紛積極探索更加有效率的數(shù)字制造模式。

在業(yè)界看來，大力推廣數(shù)字化車間建設(shè)，是船廠“提質(zhì)增效”的關(guān)鍵。數(shù)字化車間不僅可以解決企業(yè)車間管理的工業(yè)化和信息化融合問題，還能充分發(fā)揮信息技術(shù)、工業(yè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使兩者相互促進(jìn)、共同發(fā)展。可以肯定，數(shù)字化車間是工業(yè)化和信息化發(fā)展的必然產(chǎn)物。一方面，數(shù)字化車間更好地發(fā)揮了信息化技術(shù)的指導(dǎo)和決策分析作用，整合、串聯(lián)并優(yōu)化各項(xiàng)工業(yè)技術(shù)的應(yīng)用，改進(jìn)了工業(yè)流程，促進(jìn)了工業(yè)水平發(fā)展。另一方面，數(shù)字化車間也充分發(fā)揮了各種工業(yè)技術(shù)對(duì)信息化的支撐作用，從信息、技術(shù)和工藝等層面更好地支持智能制造，使信息化建設(shè)來源于制造、服務(wù)于制造。

2016年底，我國首個(gè)大型液化天然氣船數(shù)字化車間在滬東中華（造船）集團(tuán)有限公司長(zhǎng)興造船基地試運(yùn)行，這標(biāo)志著我國船廠在智能造船領(lǐng)域取得了重大的技術(shù)性突破。據(jù)介紹，這座數(shù)字化車間服務(wù)于液化天然氣船分段加工制造，對(duì)分段建造過程的數(shù)字化、管理的信息化、裝備的智能化展開研究，為液化天然氣船大批量、高效率建造創(chuàng)造了有利條件，車間內(nèi)設(shè)置的IGPS高精度測(cè)量與檢驗(yàn)系統(tǒng)能較好地提高制造精度與效率。有數(shù)據(jù)表明，借助數(shù)字化車間，焊接整體能耗降低5%以上，質(zhì)量精度合格率則由90.3%提升到96%，分段制造效率大幅提高。

業(yè)內(nèi)專家表示，隨著市場(chǎng)進(jìn)入深度調(diào)整期，船舶制造企業(yè)要想保持持久競(jìng)爭(zhēng)力，必須打破傳統(tǒng)作業(yè)模式，大力推廣、應(yīng)用數(shù)字化車間?？梢姡瑪?shù)字化車間為我們勾勒出了船舶制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的發(fā)展路徑，詮釋了技術(shù)革命之于工業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)作用。

圖3 2017年，全球首個(gè)通過“3D打印”技術(shù)生產(chǎn)的船舶部件——船用螺旋槳面世

“工具”科技化

談到數(shù)字化對(duì)船舶制造產(chǎn)業(yè)鏈的影響，不得不提另一項(xiàng)支撐數(shù)字化造船的革命性工具——數(shù)值水池。這項(xiàng)數(shù)字化、智能化程度極高的技術(shù)，突破了物理水池實(shí)驗(yàn)的空間局限，可謂科技化試驗(yàn)平臺(tái)。

2017年12月份，由哈爾濱工程大學(xué)聯(lián)合中國船舶重工集團(tuán)第七O二研究所牽頭研發(fā)的全球首座數(shù)值水池——中國數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)V1.0正式通過認(rèn)證。中國數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)V1.0構(gòu)建了先進(jìn)的“云服務(wù)”平臺(tái)，利用先進(jìn)的水動(dòng)力學(xué)理論模型和精細(xì)數(shù)值算法，在船舶波浪增阻虛擬試驗(yàn)方面采用三維泰勒展開邊界元方法，誤差可控制在15%以內(nèi)，且比現(xiàn)有商用軟件計(jì)算效率提高約1000倍。哈爾濱工程大學(xué)教授、流體力學(xué)研究所所長(zhǎng)段文洋表示：“數(shù)值水池是服務(wù)造船行業(yè)的工具，中國數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)V1.0對(duì)流場(chǎng)精細(xì)的觀測(cè)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的物理水池，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際尺度海洋結(jié)構(gòu)的模擬，完成在不同海洋環(huán)境中船舶與海洋結(jié)構(gòu)物流體動(dòng)力響應(yīng)過程的虛擬試驗(yàn)，進(jìn)而滿足船舶與海洋工程研究、設(shè)計(jì)及應(yīng)用要求，為業(yè)界提供高效率、高質(zhì)量、高可靠性的‘互聯(lián)網(wǎng)+虛擬試驗(yàn)’的新型服務(wù)?！?/p>

生產(chǎn)過程的模擬技術(shù)，其實(shí)也是數(shù)字化技術(shù)的一種應(yīng)用，通過對(duì)生產(chǎn)流程的模擬和對(duì)物料的模擬，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。如數(shù)值水池一樣，日漸成熟的“3D打印”技術(shù)也已成為服務(wù)造船業(yè)的一個(gè)重要工具。

中國船舶重工集團(tuán)公司經(jīng)濟(jì)研究中心高級(jí)分析師曹林稱：“從當(dāng)前看，對(duì)于已經(jīng)成功應(yīng)用‘3D打印’技術(shù)制造的模型和產(chǎn)品，可在船舶工業(yè)中大力推廣使用，尤其在研發(fā)設(shè)計(jì)階段，可與傳統(tǒng)制造技術(shù)形成互補(bǔ)。從中期看，一批船用復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件、特種零件、合金構(gòu)件、復(fù)合材料構(gòu)件的‘3D打印’制造及修復(fù)技術(shù)有望得到突破，并最終向大型化、批量化方向發(fā)展。從長(zhǎng)期看，‘3D打印’技術(shù)或?qū)⒁I(lǐng)船舶工業(yè)的發(fā)展方向，推動(dòng)船舶工業(yè)體系變革?！?/p>

2017年，全球首個(gè)通過“3D打印”技術(shù)生產(chǎn)的船舶部件——船用螺旋槳面世。當(dāng)時(shí)，有業(yè)界權(quán)威人士表示，“3D打印”螺旋槳的成功研發(fā)顯示出該技術(shù)在海事領(lǐng)域的前景，更向造船行業(yè)展示了“3D打印”技術(shù)的潛力。

目前，“3D打印”技術(shù)在船舶制造領(lǐng)域的應(yīng)用已取得較大進(jìn)展，業(yè)內(nèi)已成功打印出種類繁多的船用產(chǎn)品和零部件，如螺旋銷、軸瓦、箱式熱交換器、螺旋槳等?！坝捎谑∪チ藦?fù)雜的模具開發(fā)過程，‘3D打印’技術(shù)可以大幅縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證周期，加快產(chǎn)品研制進(jìn)度。”在曹林看來，“3D打印”技術(shù)方便定制化服務(wù)，具備本地化生產(chǎn)和交付的潛能，進(jìn)而在一定程度上改變現(xiàn)有的生產(chǎn)、倉儲(chǔ)和物流方式。“隨著技術(shù)進(jìn)步，‘3D打印’技術(shù)的應(yīng)用有望進(jìn)一步簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品售后服務(wù)響應(yīng)速度?！?/p>

不過，要實(shí)現(xiàn)“3D打印”技術(shù)在船舶領(lǐng)域的規(guī)模應(yīng)用，現(xiàn)在談之還為時(shí)尚早。對(duì)此，江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司總工程師胡可一解釋稱：“在配套設(shè)備的零部件制造方面，‘3D打印’技術(shù)有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景。但船舶制造業(yè)是一個(gè)廣義概念，如果從大型鋼質(zhì)船舶來講，‘3D打印’技術(shù)很難大規(guī)模應(yīng)用于船舶制造業(yè)，鋼質(zhì)船體分段建造，由于體量龐大，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)受到比較嚴(yán)重的制約，也無成本優(yōu)勢(shì)?！?/p>

當(dāng)然，“3D打印”技術(shù)仍處于起步階段，隨著時(shí)間的推移，這項(xiàng)數(shù)字化制造在船舶生產(chǎn)領(lǐng)域縱深發(fā)展的生產(chǎn)模式，勢(shì)必會(huì)顛覆傳統(tǒng)。

“成品”智能化

隨著船舶制造和信息技術(shù)的發(fā)展，特別是數(shù)字化在“智能制造”方面的應(yīng)用，推動(dòng)著智能船舶的加速出現(xiàn)。

2017年12月份，全球首艘智能船舶“大智輪”交付使用，開啟了我國智能船舶制造的歷史。所謂智能船舶，是指船舶可利用傳感器、通信、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，自動(dòng)感知和獲得內(nèi)部各零部件及外部海洋環(huán)境、天氣、物流、港口等方面的信息和數(shù)據(jù)，并基于自動(dòng)控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)和分析能力，在航行、管理和維修等方面實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行。

中國船級(jí)社（CCS）對(duì)智能船舶有四點(diǎn)明確定義。首先具有感知能力，即具有能夠感知船舶自身以及周圍環(huán)境信息的能力；其次具有記憶和思維能力，即具有存儲(chǔ)感知信息及管理知識(shí)的能力，且能夠利用已有的知識(shí)對(duì)信息進(jìn)行分析、計(jì)算、比較、判斷、聯(lián)想、決策等；此外，具有學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力，即通過專家知識(shí)以及與環(huán)境的相互作用，不斷地學(xué)習(xí)積累知識(shí)并適應(yīng)環(huán)境變化；同時(shí)，具有行為決策能力，即對(duì)自身狀況及外部環(huán)境做出反應(yīng)，形成決策并指導(dǎo)船岸工作人員，甚至控制船舶。毫無疑問，智能船舶的背后需要大量的數(shù)字化技術(shù)作為支撐。

“智能船舶是船舶工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。”胡可一說，“回顧船舶控制自動(dòng)化的進(jìn)程，從機(jī)艙內(nèi)分散控制到機(jī)艙集控再到無人機(jī)艙和一人橋樓，都是一步一步地向前發(fā)展的。這些發(fā)展是以電子控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為前提，也就是說，電子控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，推進(jìn)了船舶控制自動(dòng)化的發(fā)展。胡可一相信，遠(yuǎn)程通訊技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)船舶向更加智能化的方向邁進(jìn)。

對(duì)于智能船舶的發(fā)展階段，業(yè)界看法普遍相同：互聯(lián)互通階段、系統(tǒng)整合階段、遠(yuǎn)程控制階段和自主操作階段?！澳壳?，第一和第二階段的技術(shù)相對(duì)比較成熟，只是應(yīng)用的程度深淺不同而已。第三階段遠(yuǎn)程控制、第四階段自主操作，至于大型‘無人智能船’具備的特點(diǎn)，要真正實(shí)現(xiàn)還有一定的難度，對(duì)船舶的執(zhí)行系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性有很高的要求?！焙梢惶寡?。

現(xiàn)年53歲的馬士基集團(tuán)首席執(zhí)行官施索仁（Soren Skou）也認(rèn)為，大型“無人智能船”應(yīng)用于航運(yùn)業(yè)的時(shí)代不會(huì)很快到來。施索仁稱：“盡管當(dāng)前的智能化水平飛速發(fā)展，但難以想象一艘船長(zhǎng)400米、重約20萬噸的集裝箱船會(huì)允許零船員配備。在我有生之年，我不認(rèn)為大型‘無人智能集裝箱船’是效率趨勢(shì)下的產(chǎn)物?！弊鳛樾袠I(yè)巨擘，馬士基集團(tuán)旗下公司盡管已經(jīng)對(duì)無人駕駛拖輪有進(jìn)一步研發(fā)，但施索仁表示，這一概念將不會(huì)延伸至集裝箱運(yùn)輸領(lǐng)域，“它不是馬士基集團(tuán)戰(zhàn)略發(fā)展的基石?！?/p>

對(duì)于施索仁拋出的觀點(diǎn)，胡可一表示認(rèn)同?！按笆且粋€(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程、有許多設(shè)備系統(tǒng)組成，但在常規(guī)船舶設(shè)計(jì)建造過程中，船舶系統(tǒng)的冗余度并不高（和民用客機(jī)相比）。在船舶運(yùn)行過程中，如果出現(xiàn)一些故障問題，船員可以在現(xiàn)場(chǎng)處置、修理和更換備件等。如果是‘無人船’，那就必須增加系統(tǒng)的冗余度，這會(huì)大幅度增加建造成本。此外，對(duì)海上的一些突發(fā)情況如海況變化、海損和海盜等，船員的應(yīng)變能力和反應(yīng)速度會(huì)大大優(yōu)于智能系統(tǒng)。試想，民航客機(jī)的系統(tǒng)冗余度和自動(dòng)化程度大大高于船舶，為什么至今還需要二人機(jī)組？”胡可一反問。

當(dāng)然，戰(zhàn)略和決策以及開發(fā)力度和應(yīng)用前景，會(huì)隨技術(shù)水平和時(shí)代發(fā)展而有所改變。專業(yè)人士當(dāng)前的觀點(diǎn)，或許也只適于特定時(shí)期。目前，全球第一艘自動(dòng)化集裝箱船已進(jìn)入模型測(cè)試階段。挪威Yara Birkeland公司宣稱，該公司研發(fā)的全電動(dòng)、零排放無人集裝箱船計(jì)劃于2019年實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，到2020年，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作，并在相關(guān)港口之間試運(yùn)行。